張旺鋒，易 洋，馬彥強(qiáng)，張瑞霞

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州730000）

低碳是指較低（更低）的溫室氣體（二氧化碳為主）排放。它的提出，源自全球溫度的迅速提高。為了抵御全球變暖，實(shí)現(xiàn)低碳世界已經(jīng)形成了各國(guó)的共識(shí)。伴隨著全球城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，越來越多的人口聚集在城市中生活，城市空間的密度正在逐年劇增。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，城市的碳排放量占了全球碳排放總量的75%。要實(shí)現(xiàn)全球的低碳化，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)城市低碳化。因此，在未來城市建設(shè)中，灌入低碳理念，從而減緩城市的碳排放量是必要的。

蘭州市地處河谷盆地，屬于典型的“兩山夾一川”的地形，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要依托石油化工、冶金、機(jī)電等重化工產(chǎn)業(yè)，其碳排放的強(qiáng)度可想而知。低碳化的實(shí)現(xiàn)對(duì)蘭州市而言是更加迫切的，也是更具有挑戰(zhàn)性的。如何實(shí)現(xiàn)蘭州城市建設(shè)的低碳化，并且落實(shí)到空間實(shí)體中，是筆者研究的重點(diǎn)。技術(shù)和制度來減少溫室氣體的排放[1]。在中國(guó)，“低碳”也引起了相關(guān)專家的注意?！暗吞枷M(fèi)”、“低碳生產(chǎn)”、“低碳生活”進(jìn)而發(fā)展到“低碳城市”、“低碳城市群”躍入了人們的生活。伴隨著這些字眼的出現(xiàn)，中國(guó)掀起了一場(chǎng)“低碳風(fēng)”。

減少溫室氣體的排放、改變生活理念和生活方式、以低的能源消耗獲得最大產(chǎn)出等已經(jīng)成為對(duì)低碳發(fā)展的路徑共識(shí)。如圖1所示，低碳理念的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在生產(chǎn)、消費(fèi)和生活上。如何在西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)這3方面低碳，對(duì)蘭州這樣一個(gè)依靠重工業(yè)發(fā)展的城市是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 低碳理念的實(shí)現(xiàn)

1 低碳理念與城市建筑空間

1.1 低碳理念

“低碳”的提出源自全球氣候的變化，以及針對(duì)生產(chǎn)和生活中減少碳排放。這個(gè)概念的出現(xiàn)來自英國(guó)2003年《能源白皮書》中的“低碳經(jīng)濟(jì)”，它是指通過減少自然資源的消耗和環(huán)境污染，來獲得更多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，進(jìn)而創(chuàng)造更高的生活標(biāo)準(zhǔn)和更好的生活質(zhì)量，并為發(fā)展、應(yīng)用和輸出先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造新的商機(jī)和更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。隨后，日本也提出了“低碳社會(huì)”的建設(shè)，試圖通過改變消費(fèi)理念和生產(chǎn)方式，實(shí)行低碳

1.2 城市建筑空間

城市建筑空間是指人們?nèi)藶榈臑榱藵M足人們生產(chǎn)或生活的需要，運(yùn)用各種建筑要素與形式所構(gòu)成的內(nèi)部空間與外部空間的統(tǒng)稱。它包括墻、地面、屋頂、門窗等圍成建筑的內(nèi)部空間，以及建筑物與周圍環(huán)境中的樹木、山巒、水面、街道、廣場(chǎng)等形成建筑的外部空間。廣義的城市建筑空間可以泛指整個(gè)城市空間，狹義的建筑空間及只限于建筑單體的內(nèi)部空間和建筑之外的開敞空間。筆者論述的是狹義的城市建筑空間，建筑外部空間如圖2所示。

圖2 建筑外部空間的構(gòu)成

1.3 兩者的有效結(jié)合

將低碳理念有效地融入城市建筑空間，從而達(dá)到城市生產(chǎn)、生活以及人們消費(fèi)的低碳化，是一種行之有效的方法。這個(gè)理念的實(shí)現(xiàn)可以體現(xiàn)在城市建筑空間的各個(gè)方面。

從建筑內(nèi)部空間的角度來看，低碳理念可以通過構(gòu)筑建筑綜合體來實(shí)現(xiàn)。從建筑外部空間的角度來看，主要通過調(diào)整建筑的朝向和間距，使得建筑群充分利用自然采光、自然通風(fēng)，從而降低建筑耗能，達(dá)到低碳的效果，見圖3所示。

圖3 低碳理念與城市建筑空間的結(jié)合

2 低碳理念在建筑空間上的實(shí)現(xiàn)

2.1 建筑的內(nèi)部空間

建筑的內(nèi)部空間是指建筑本身，通過墻、地面、屋頂、門等元素構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)。如何在這些元素構(gòu)成的空間上實(shí)現(xiàn)低碳，這就要求建筑內(nèi)部空間組合的最優(yōu)化。按照建筑物的使用性質(zhì)來分，建筑可以分成生產(chǎn)性建筑和生活性建筑。生產(chǎn)性建筑主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)方面，生活性建筑則用于居住和日常公共活動(dòng)。由于生產(chǎn)性建筑主要與工業(yè)或者農(nóng)業(yè)的性質(zhì)有關(guān)，完全可以通過工藝處理來達(dá)到低碳的效果。因此，本文著重關(guān)注低碳理念在生活性建筑空間上實(shí)現(xiàn)的問題。

要實(shí)現(xiàn)生活性建筑空間的低碳化，最有效的方法是實(shí)現(xiàn)建筑功能的綜合化，也就是建造建筑綜合體[2]。芝加哥建筑綜合體的創(chuàng)始人B·谷博（Bertrard Goldberg）曾經(jīng)提出建筑綜合體是“一種空間的結(jié)合物，用于全部的生活，其密度如此之高以至于獲得了一種苛求的體量，它是自我更新的、經(jīng)濟(jì)和有生命力的綜合載體”[3]。根據(jù)《雅典憲章》對(duì)城市的功能定位，城市具備居住、工作、游憩和交通四種功能[4]。這4種功能分別體現(xiàn)在不同用途的社會(huì)生活空間上，然后通過性質(zhì)各異的建筑組合成城市的建筑空間。

它的組織形式可以是由分散的空間綜合組織成的街區(qū)、或一座巨型的綜合大樓、或一組緊湊的建筑群體。這3種組織形式都不僅有利于發(fā)揮建筑空間的協(xié)同作用，而且對(duì)于調(diào)整城市空間結(jié)構(gòu)、減少城市交通負(fù)荷，進(jìn)而減少交通排碳量和建筑排碳量。

以街區(qū)形式出現(xiàn)的建筑綜合體最常見的是步行街。就蘭州市而言，典型的實(shí)例就是張掖路步行街。這條步行街內(nèi)設(shè)置了大型商場(chǎng)、精品店、專賣店、以及各種餐飲店，具備了購(gòu)物、休閑、旅游等多功能。這種城市建筑空間組織形式在滿足了消費(fèi)者多方位需求的同時(shí)，有效地起到了降低交通排碳量的目的。

以綜合大樓形式出現(xiàn)頻率最高的是商住結(jié)合建筑。一般這種建筑都沿街而建，包括“底商上宅”和“前店后宅”兩種形式。這兩種形式分別是水平方面和垂直方向的商業(yè)和居住功能的結(jié)合。在蘭州市，最常見的是“底商上宅”的形式，分布在各條經(jīng)濟(jì)繁榮的街道上，或者是商業(yè)中心。針對(duì)冬季采暖的蘭州市，這種建筑體可以綜合使用一套采暖系統(tǒng)，不僅可以有效地節(jié)約建筑材料，還可以減少建筑群體間的熱量散失，做到既保溫又節(jié)能。同時(shí)，還可以有效借助太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，為商業(yè)和居住提供部分熱能，從而實(shí)現(xiàn)低碳的效果。

以建筑群的形式出現(xiàn)的建筑綜合體最早出現(xiàn)在紐約最繁華的商貿(mào)金融中心——曼哈頓島上。早在1928年，洛克菲勒就在這里修建了一座集商業(yè)建筑、辦公樓、旅館、公寓大樓以及劇場(chǎng)和電影院等娛樂設(shè)施，并結(jié)合地下步行系統(tǒng)、零售設(shè)施、地鐵車站以及各種不同用途的建筑物連成一體，形成一個(gè)由21幢大廈圍合而形成的城市空間。在蘭州，典型的實(shí)例要屬新建的瑞德摩爾商業(yè)中心，那里集中了餐飲、購(gòu)物、娛樂、居住等城市功能，是蘭州市新興的商業(yè)建筑群。各個(gè)建筑體的功能都有機(jī)聯(lián)系在一起，消費(fèi)者可以在內(nèi)享受各個(gè)層次的服務(wù)，無(wú)需長(zhǎng)途奔波，有利于減緩因交通量大帶來的高碳效應(yīng)。

圖4 低碳理念在城市建筑內(nèi)部空間的實(shí)現(xiàn)

無(wú)論建筑綜合體是以街區(qū)、綜合大樓的形式出現(xiàn)，還是以建筑群體的形式出現(xiàn)，在蘭州市未來的發(fā)展中都是必不可少，而且是缺一不可的城市建筑體組織形式。伴隨著城市低碳化的理念灌入，越來越多的建筑體將會(huì)采用建筑綜合體的形式，并且會(huì)朝著綜合化程度更高的方向發(fā)展。

2.2 建筑的外部空間

2.2.1 建筑的朝向 建筑的朝向不僅會(huì)影響建筑接受的太陽(yáng)輻射，而且也會(huì)對(duì)建筑內(nèi)部以及整個(gè)建筑群體通風(fēng)的順暢程度造成影響。而建筑接受的太陽(yáng)輻射以及自然通風(fēng)情況將直接或者間接地影響建筑耗能的大小，從而影響建筑向空氣排放的二氧化碳的量。這種關(guān)系可以從下圖可以看出?；诘吞嫉脑瓌t，通過合理設(shè)置建筑的朝向，將會(huì)很好地減少建筑耗能，從而達(dá)到低碳的目的。

圖5 低碳理念在城市建筑朝向上的實(shí)現(xiàn)

1）太陽(yáng)輻射。冬季建筑得熱最有利的朝向。蘭州地處中國(guó)西北，日照較強(qiáng)，平均年日照時(shí)數(shù)為2 446.4h，年有效積溫為3 315℃，冬季較冷，屬于采暖區(qū)，建筑的朝向應(yīng)該以盡量獲得太陽(yáng)輻射為主[5]。通過分析太陽(yáng)高度角與輻射能量的關(guān)系表達(dá)式——輻射能量＝h（sina）（其中：高度角是a；h是一個(gè)常數(shù)，其值等于90°時(shí)太陽(yáng)輻射的能量。）可知，當(dāng)a達(dá)到最大值時(shí)，太陽(yáng)輻射的能量就達(dá)到最大值。

在冬季，太陽(yáng)直射南半球，蘭州市的太陽(yáng)高度角低于90°，當(dāng)太陽(yáng)直射南回歸線時(shí)，蘭州市的太陽(yáng)高度角達(dá)到一年中最低值。由太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式——sin h＝sinφ·sinδ＋sinφcosδcos t（其中t表示地方時(shí)，φ表示地理緯度，δ表示太陽(yáng)赤緯）得知，當(dāng)正午時(shí)時(shí)角為0時(shí)，H＝90°－（φδ）。又由于太陽(yáng)直射點(diǎn)位于南半球，而蘭州市位于北半球，所以 H＝90°－（φ＋δ），計(jì)算得出太陽(yáng)高度角 H＝30°34′。

一天當(dāng)中，13：00—14：00的時(shí)候，太陽(yáng)的高度角最大，為30°34′，建筑所接受的太陽(yáng)能輻射的熱量最大，根據(jù)下述公式計(jì)算可以得出建筑接受熱量最大的太陽(yáng)高度角。

蘭州地區(qū)的P在冬至日取0.614[7]，通過上式可以計(jì)算出a＝0.079，b＝－0.479，hav＝44.03°。

由于hav＞H，所以從建筑得熱最大化的角度來看，建筑的最佳朝向?yàn)檎戏较颍钣欣诮ㄖ浞纸邮芴?yáng)輻射量，從而降低建筑取暖所排放的含碳?xì)怏w。

夏季散熱最有利朝向。在夏季，建筑朝向應(yīng)該盡量避免設(shè)置為太陽(yáng)輻射得熱最多的朝向。蘭州市夏至日p取0.695，通過計(jì)算可得hav＝37.21°。

此時(shí)，通過太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式可以得出，夏至日，蘭州市的太陽(yáng)高度角為 H1＝77°23′，H2＞Hav，通過公式COS A＝sin·sinψ－sinδ／（cos·cosψ）（其中，A為太陽(yáng)方位角，ψ為地理緯度，δ為太陽(yáng)赤緯）得出A＝49.16°。

綜合上述分析，同時(shí)結(jié)合圖6（建筑物俯視圖，其中A表示太陽(yáng)方位角，α表示建筑方位角）可得，最有利于蘭州市建筑充分利用太陽(yáng)輻射，同時(shí)又避開夏季得熱最多的方向?yàn)槟掀?°～49.16°。

圖6 建筑方位圖

2）自然通風(fēng)。夏季通風(fēng)。自然通風(fēng)是利用自然的資源來改變室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的一種純“天然”的建筑環(huán)境調(diào)節(jié)手段，合理的自然通風(fēng)組織可有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的氣流效果、溫度分布，對(duì)改變室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度可以起到明顯效果[8]。因此，有效的自然通風(fēng)可以起到降低建筑能耗以及加速空氣流通的目的。建筑能耗的降低可以降低碳的排放，而空氣流通速度的提高可以稀釋二氧化碳的濃度，從而減緩增溫的效果，達(dá)到低碳的目的。

自然通風(fēng)的其中一個(gè)很重要的作用是當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，能起到降低室內(nèi)溫度的作用。這與建筑物充分接受太陽(yáng)輻射從而降低建筑能耗的原理不同。太陽(yáng)輻射降低建筑能耗是在冬季有效提高建筑的溫度，從而減緩暖氣的供應(yīng)量。而自然通風(fēng)降低建筑能耗則主要作用于夏季，建筑內(nèi)溫度高于建筑外時(shí)，降低室內(nèi)的溫度，從而降低建筑能耗。蘭州市雖然夏季無(wú)酷暑，但是歷史絕對(duì)最高氣溫曾將達(dá)到39.1℃。伴隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)，越來越多的居民在夏季選擇使用空調(diào)等降溫工具，這對(duì)原本能耗較大的蘭州市提出了新的挑戰(zhàn)。利用自然通風(fēng)降溫，是一個(gè)解決問題的良好辦法。

自然通風(fēng)的另一個(gè)重要作用是可以加速建筑空間的空氣流動(dòng)，可以有效地降低二氧化碳的濃度。圖7表示的是，前面樓高與兩樓間距為1∶1.44時(shí)，建筑間的氣流組織圖。從中得知，風(fēng)向與建筑群體不同的入射角可以直接影響建筑群體間的氣流組織。當(dāng)風(fēng)向與建筑群體的夾角為0°與60°時(shí)，建筑群體內(nèi)部產(chǎn)生了大量的渦流，不利于外部的氣流進(jìn)入整個(gè)建筑群體，同時(shí)也不利于建筑群體間氣流順暢。當(dāng)兩者的夾角為30°和45°時(shí)，建筑群內(nèi)部產(chǎn)生的渦流較少，建筑間風(fēng)向近似平行于后排的建筑，有利于整個(gè)建筑群的空氣流通，可以有效地疏散內(nèi)部的二氧化碳的濃度，達(dá)到“低碳”的效果。

圖7 不同入射角的建筑群通風(fēng)情況

蘭州市在夏季盛行東南風(fēng)，要使整個(gè)建筑群內(nèi)通風(fēng)順暢，就需要保證風(fēng)向與建筑的入射角為30°～45°，那么建筑的朝向也即為南偏西0°～15°。

冬季避風(fēng)。在冬季，蘭州市盛行西北風(fēng)。由于蘭州市地處西北，氣候比較寒冷，建筑的朝向需要避開主導(dǎo)風(fēng)向。當(dāng)建筑朝向?yàn)槟掀?°～15°時(shí)，也同時(shí)滿足要求。

綜合滿足建筑群在夏季避開太陽(yáng)輻射得熱最多的方向以及滿足自然通風(fēng)順暢的要求，兼顧冬季采暖和防風(fēng)的需求，得出，蘭州市建筑的朝向應(yīng)該設(shè)置為南偏西0°～15°。

2.2.2 建筑單體的間距 日照時(shí)間是該建筑物在規(guī)定的某一日內(nèi)接收到的日照時(shí)數(shù)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其時(shí)間的長(zhǎng)短決定了建筑采光的長(zhǎng)短，也決定了建筑耗能的大小[9]。建筑接受日照時(shí)間的長(zhǎng)短取決于建筑單體的間距，在實(shí)際應(yīng)用中，常常用日照間距系數(shù)來計(jì)算，即建筑的間距與前面建筑高度的比值。圖8所示，H表示的為前排建筑的高度，H1表示的為后排建筑窗臺(tái)的高度，h為太陽(yáng)高度角，D為兩排建筑的間距。日照間距系數(shù)即為α＝（H－H1）／D 的值[10]。

根據(jù)中國(guó)建筑氣候區(qū)規(guī)劃圖，蘭州市位于北緯36°03′，屬于Ⅱ類建筑氣候區(qū)，住宅建筑日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)保證在有效日照時(shí)間帶（8：00－16：00）不低于大寒日日照2h的標(biāo)準(zhǔn)。蘭州市保證大寒日2h日照標(biāo)準(zhǔn)的日照間距系數(shù)為1.44。然后通過公式D＝α×ΔH（D為日照間距；ΔH為前排建筑與后排窗臺(tái)高度差；α為日照間距系數(shù)。）進(jìn)行計(jì)算后，即可得出建筑單體間的合適距離，從而最大限度地接受自然采光，進(jìn)而減少建筑耗能，達(dá)到低碳的目的。

圖8 低碳理念與建筑間距的關(guān)系

3 結(jié) 論

圖9 日照間距示意圖

城市建筑空間是宏觀城市空間中重要的一部分。一個(gè)良好的城市設(shè)計(jì)離不開優(yōu)良的城市建筑空間的設(shè)計(jì)。人是城市的主人，因而要實(shí)現(xiàn)城市建筑空間的最優(yōu)化離不開以人為本。要達(dá)到以人為本，就要讓城市的發(fā)展盡量使人們生產(chǎn)、生活舒適。目前，城市升溫加速的問題在一定程度上影響了人們的生活。如何降低城市的溫室效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到城市低碳化，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。同樣，對(duì)于處于西部以重化工業(yè)為主的蘭州，由于其地形的限制，要求實(shí)現(xiàn)低碳的愿望就更加強(qiáng)烈。只有把低碳的理念灌入城市建筑空間的設(shè)計(jì)以及整個(gè)城市發(fā)展的方方面面才能使這個(gè)城市健康、持續(xù)的發(fā)展。

1）盡量打造城市建筑綜合體。要實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部空間的低碳化，就要實(shí)現(xiàn)城市建筑綜合體的最大化，也就是盡可能地打造建筑綜合體。通過構(gòu)建生活綜合服務(wù)步行街區(qū)、集多功能于一體的綜合大樓、綜合性的建筑群，來實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部空間的低碳化。

2）在居住區(qū)的平面布局上實(shí)現(xiàn)低碳化。根據(jù)上文的闡述可知，在蘭州市，建筑的朝向設(shè)置為南偏西0°～15°時(shí)，最有利于建筑在冬季最大化接受太陽(yáng)輻射，也有利于建筑群體間的自然通風(fēng)。在建筑間距方面，要實(shí)現(xiàn)建筑空間的低碳化就要保證日照間距系數(shù)為1.44。具體到居住區(qū)的平面布局上，可以通過合理設(shè)置居住區(qū)內(nèi)部住宅群體的平面組合形式來實(shí)現(xiàn)低碳化。

居住區(qū)內(nèi)部住宅群體的平面布局形式主要有行列式和周邊式兩種。當(dāng)住宅群體的平面組合為行列式時(shí)，低碳主要通過整個(gè)建筑群體的朝向設(shè)置為南偏西0°～15°來實(shí)現(xiàn)，建筑間距也要滿足其間的日照間距系數(shù)為1.44。當(dāng)住宅群體的平面組合為周邊布置時(shí)，就要滿足其主出日入口與夏季主導(dǎo)風(fēng)向平行，有利于夏季通風(fēng)，同時(shí)避開冬季主導(dǎo)風(fēng)，具體到蘭州市而言，即設(shè)置為東南方為宜。

[1]劉志林 ，戴亦欣，董長(zhǎng)貴，等.低碳城市理念與國(guó)際經(jīng)驗(yàn)[J].節(jié)能減排，2009（3）.

[2]胡孝民，殷世建.城市設(shè)計(jì)中的建筑綜合體[J].山西建筑，2007（6）.

[3]路易斯·芒福德.城市發(fā)展史[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]李德華.城市規(guī)劃原理[M].3版.北京：中國(guó)建筑出版社，2001.

[5]蘭州市志編纂委員會(huì).蘭州志[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1997.

[6]張淑紅，段毅.寒區(qū)住宅節(jié)能設(shè)計(jì)體型與朝向探討[J].低溫建筑技術(shù)，2004（2）：88－89.

[7]太陽(yáng)能利用協(xié)作小組.我國(guó)各地大氣透明系數(shù)資料[J].氣象科技，1980（6）.

[8]陳璐璐，王怡.建筑朝向?qū)ψ匀煌L(fēng)的分析及確定[J].山西建筑，2009（9）：30－31.

[9]夏南凱，田寶江.控制性詳細(xì)規(guī)劃[M]上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.

[10]陳步尚，張春梅.建筑日照間距在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）.